Определение и значение закона Бугера-Ламберта-Бэра

Определение закона бугера-Ламберта-Бэра

Определение: Закон Бугера-Ламберта-Бера (также просто закон Бугера) — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон Бугера, также известный как закон Бугера-Ламберта-Бера, охватывает взаимосвязь между поглощением света веществом и свойствами этого вещества. Он описывает, как интенсивность света уменьшается при прохождении через поглощающее вещество. Формула закона Бугера выглядит следующим образом:

где:

I — интенсивность света после прохождения через вещество; 

Io — начальная интенсивность света; 

к — коэффициент поглощения, зависящий от материала и длины волны света; 

d — толщина поглощающего слоя вещества. 

Этот закон применяется в различных областях, включая фотометрию, спектроскопию и анализ концентраций веществ в растворимых системах. Закон Бугера полезен для расчета концентрации растворенных веществ на основе измерений их оптической плотности.

История возникновения

1. Первые исследования: Закон был разработан на основе экспериментов и наблюдений, связанных с поглощением света. В начале XIX века ученые начали исследовать, каким образом свет взаимодействует с различными веществами.
2. Бугер: Французский учёный Жан Бугер (J. B. B. von Bueger) в 1727 году сформулировал первый вариант закона, который устанавливал связь между интенсивностью падающего света и расстоянием, которое он проходит через поглощающее вещество.
3. Ламберт: Позднее, в 1760 году, немецкий физик Иоганн Генрих Ламберт (Johann Heinrich Lambert) независимо от Бугера предложил аналогичный закон, который также учитывал плотность материала и углы падения света.
4. Бэр: Наконец, в 1852 году немецкий физик Адольф Бэр (Adolf Beer) уточнил предшествующие формулировки и добавил дополнительные условия, касающиеся концентрации поглощающего вещества.

Математическое выражение закона

Бугер и Ламберт открыли закон, связывающий поглощение монохроматического излучения гомогенной средой с толщиной слоя этой среды. Ламберт предложил для закона математическое выражение:

Бэр установил, что при поглощении монохроматических излучений разбавленными растворами вещества в прозрачном растворителе коэффициент поглощения:

Зависимость: 

 — объединенный закон Бугера-Ламберта-Бэра.

Логарифмическая форма закона

Логарифмическое выражение закона Бугера-Ламберта-Бэра:

где:

X (м²/г) — удельный показатель поглощения. Это постоянная, не зависящая от толщины и концентрации светопоглощающего вещества, но зависящая от его природы и длины волны излучения;

С (г/м³) — концентрация светопоглощающего вещества;

L(м) — толщина.

Физический смысл закона

Физический смысл закона Бугера можно сформулировать так: при прохождении света через вещество его интенсивность уменьшается в результате поглощения энергии световой волны атомами или молекулами вещества. Степень поглощения света зависит от толщины слоя вещества, длины волны света и вида поглощающего вещества.

Физический смысл закона Бугера заключается в описании процесса поглощения света (или другого электромагнитного излучения) веществом. Вот несколько ключевых аспектов, которые выделяют его значение:

1. Поглощение света. Закон показывает, что, когда свет проходит через вещество, его интенсивность уменьшается. Это уменьшение интенсивности связано с тем, что молекулы вещества поглощают часть фотонов света, что приводит к уменьшению количества света, которое выходит из вещества.
2. Зависимость от толщины и концентрации. Закон Бугера -Ламберта -Бэра демонстрирует, что сумма поглощения света определяется как толщиной слоя вещества, так и концентрацией поглощающего вещества. Чем больше толщина вещества или концентрация поглощающего вещества, тем больше света будет поглощено.
3. Коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения является мерой способности вещества поглощать свет определенной длины волны. Он зависит от свойств самого вещества и от длины волны света. Это позволяет исследовать и характеризовать материалы по их оптическим свойствам.
4. Применения в аналитической химии. Закон Бугера -ламберта-Бэра широко используется для определения концентрации веществ в растворах. Измеряя интенсивность проходящего света и зная коэффициент поглощения, можно вычислить концентрацию растворенного вещества, что делает его важным инструментом в аналитической химии, биофизике и других научных областях.

Таким образом, физический смысл закона Бугера-Ламберта-Бэра заключается в количественном описании взаимодействия света с веществом, что имеет важное значение для научных исследований и промышленных приложений.

Применение закона

1. Спектрофотометрия. Закон лежит в основе работы спектрофотометров, которые измеряют поглощение света различной длины волны раствором для определения концентрации вещества.
2. Качественный и количественный анализ. С помощью закона можно определить концентрацию растворов различных веществ, таких как красители, металлы, органические соединения и др.
3. Контроль качества. Используется в производстве и контроле качества напитков, фармацевтических препаратов, косметики и других продуктов, где необходимо определять содержание активных веществ.
4. Исследования биологических систем. Применяется в биохимии для анализа биомолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты.
5. Экологический мониторинг. Позволяет определять уровень загрязняющих веществ в воде и воздухе.
6. Фармацевтические исследования. Используется для определения концентрации действующих веществ в лекарственных формах.
7. Клинические исследования. Применяется в диагностике для измерения концентраций различных биометров в образцах крови и других биологических жидкостях.

Закон Бугера-Ламберта-Бера является основой для многих методов анализа и дает возможность проводить точные измерения и исследования в различных областях науки и техники.

Ограничения закона

Закон Бугера-Ламберта-Бера описывает, как свет поглощается веществом. Он утверждает, что интенсивность света, проходящего через прозрачное вещество, уменьшается экспоненциально с увеличением концентрации вещества и толщины слоя, через который проходит свет. 

Однако у этого закона есть свои ограничения:

1. Концентрация. Закон верен только для разбавленных растворов. При высоких концентрациях отклонения могут возникать из-за эффектов, таких как агрегация молекул или изменение свойств среды.
2. Однородность среды. Закон предполагает, что поглощение света происходит равномерно в однородной среде. Если есть неоднородности, поглощение может варьироваться.
3. Длина волны света. Закон применим в определенном диапазоне длин волн. На других длинах волны материал может вести себя иначе.
4. Состояние вещества. Зависимость закона от состояния вещества (жидкое, газообразное, твердое) может приводить к отклонениям. Например, в газах поглощение может быть нелинейным при высоких давлениях.
5. Температура. Изменение температуры может влиять на свойства поглощения и, соответственно, на соответствие закону.

Эти ограничения следует учитывать при проведении экспериментальных исследований и интерпретации результатов, связанных с поглощением света.

Примеры расчетов

Закон Бугера-Ламберта-Бера описывает поглощение света веществом и используется в оптической спектроскопии. Он формулируется следующим образом: 

A=ε•c•l

где: 

A — absorbance (поглощение), 

ε — молярный коэффициент поглощения (L/(mol·cm)), 

C — концентрация раствора (mol/L), 

L — длина пути света в растворе (cm). 

Пример 1:  

Предположим, у вас есть раствор с молярным коэффициентом поглощения 

ε=200L/(mol•cm), концентрацией c=0,01 mol/L , и длиной пути света L=1 cm.

Рассчитаем поглощение: 

A=ε•c•l

A=200L/(mol•cm)•0,01 mol/L•1cm

A=2

Итак, поглощение раствора равно 2.

Пример 2:

Рассмотрим раствор с молярным коэффициентом поглощения, ε=150L/(mol•cm), концентрацией c=0,05 mol/L и длиной пути света L=2cm

Считаем поглощение:  

A=ε•с•l

A=150L/(mol•cm)•0,05 mol/L•2cm

A=1

В данном случае поглощение равно 15.

Пример 3:

Предположим, известен коэффициент поглощения, концентрация и длина пути, но нужно определить концентрацию, если поглощение равно 1.5. Дано: ε=100L/(mol•cm), L= 1 cm

Найдем концентрацию: 

A=ε•c•l

1,5=100•c•l

С=1,5/100=0,015mol/L

Таким образом, концентрация раствора составляет 0.015 mol/L.  

Эти примеры иллюстрируют применение закона Бугера-Ламберта-Бера для расчета различных величин связанные с поглощением света веществом.